Системный цифровой инжиниринг мегасайенс: как политехническая модель на основе фундаментальных законов физики и механики объединяет материаловедение, конструирование, компьютерное моделирование, технологии цифровых двойников

Сегодня в России реализуются четыре мегасайенс-проекта — NICA, СИЛА, РИФ и СКИФ. Каждый требует около 300 инженеров и более тысячи специалистов. Кадровый дефицит — главный вызов.

Как совместить фундаментальную физику, сложный инжиниринг, суперкомпьютерное моделирование, цифровые двойники и искусственный интеллект в одном учебном треке?

Наш ответ — системный цифровой инжиниринг, ключевое направление развития СПбПУ. Он объединяет фундаментальные законы физики и механики, материаловедение, конструирование, математическое и суперкомпьютерное моделирование, технологии цифровых двойников и искусственного интеллекта (AI/ML). Физические эксперименты проводятся на установках, а мы используем эти данные для верификации и валидации моделей, создавая высокоадекватные цифровые аналоги (модели с высоким уровнем адекватности реальным материалам, изделиям, физико-механическим процессам), на основе которых создаются редуцированные (ROM) модели, дающие ускорение в тысячи и миллионы раз с помощью AI/ML, что, фактически, означает переход к процессам в реальном времени.

Блок 1. Цифровой двойник — основа обучения

Цифровой двойник — это не просто комплексная модель, а образовательная среда. В его основе — первая парадигма моделирования: нелинейное многофизическое моделирование на базе первых принципов (фундаментальных законов) с верификацией и валидацией моделей (V&V&UQ). Редуцированные модели (ROM), полученные с помощью сингулярного разложения (SVD), мы также относим к первой парадигме — это математически строгое сжатие физики, а не нейросети с пренебрежением физикой. ИИ-технологии (AI/ML) — вспомогательный инструмент для калибровки, обработки данных и оптимизации, но не замена фундаментальным законам.

12 декабря 2022 года между СПбПУ и ИВМиМГ СО РАН было подписано соглашение о создании центра «Цифровые двойники установок мегасайенс» для разработки цифрового двойника «СКИФ». Это обеспечит студентам уже со 2–3 курса доступ к цифровым (виртуальным) экспериментам, расчётам полей, оценке ресурса материалов и конструкций — и это засчитывается как учебная практика.

Блок 2. Политехническая модель: ПИШ, платформа и зимние университеты

В СПбПУ работает ПИШ «Цифровой инжиниринг» — одна из лучших в России. Её основа — платформа CML-Bench®, интегрирующая суперкомпьютерные решатели (170 CAE-систем), AI/ML, базы материалов и технологии проектирования. Наши ежегодные зимние университеты: в 2024 году — 220 студентов из 63 вузов, в 2025 году — 202 участника из 14 стран. Три трека — Sigma, Tau, Epsilon — включают модули по материаловедению и конструированию. Студенты решают реальные задачи и выдают готовые решения или цифровые продукты.

Блок 3. Партнёрство с СО РАН

В июле 2024 года мы подписали рамочное соглашение с СО РАН (академик В.Н. Пармон). Предлагаемые совместные проекты на СКИФе включают: моделирование ударных, термических процессов, исследование композитных ТВЭЛ и катализаторов. Мы строим высокоадекватные модели, верифицируем и валидируем их на экспериментальных данных и создаём цифровые двойники. Соглашения также предусматривают совместные магистерские программы, что создаёт непрерывную траекторию студент → исследователь.

Блок 4. Сетевые механизмы и предложения

Ни один вуз не справится один. Создан консорциум из 32 организаций по всей стране. СПбПУ предлагает:

Закрепить статус цифрового двойника как образовательной площадки с зачётом практики.

Создать на базе ПИШ и центра единую платформу для вузов, институтов и индустрии.

Ввести в учебные планы модули по системному цифровому инжинирингу, материаловедению и конструированию.

Расширить сетевые магистерские программы с научными центрами.

Упростить административные механизмы сетевого взаимодействия.

Заключение

Политехническая модель системного цифрового инжиниринга создаёт экосистему, где математическое моделирование на основе первых принципов неразрывно связано с материаловедением и конструированием, а ИИ-технологии (AI/ML) ускоряют обработку данных. Подлинные цифровые двойники строятся только на основе первой парадигмы с верификацией и валидацией (V&V&UQ), включая ROM-модели. ИИ-технологии (AI/ML) — это мощный помощник, но не замена физике. Наше партнёрство с СО РАН — пример синергии науки и образования. СПбПУ готов стать интегратором этой работы на благо всей страны.

Глоссарий (расшифровка англоязычных терминов и аббревиатур)